БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 5, с. 682–691

УДК 577.355.2

Влияние замены лейцина M196 на гистидин на электронную структуру первичного донора электрона и перенос электрона в реакционных центрах Rhodobacter sphaeroides*

© 2019 А.А. Забелин, Т.Ю. Фуфина, А.М. Христин, Р.А. Хатыпов, В.А. Шкуропатова, В.А. Шувалов, Л.Г. Васильева, А.Я. Шкуропатов **

Институт фундаментальных проблем биологии РАН, ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований» РАН, 142290 Пущино Московской обл., Россия; электронная почта: ashkur@mail.ru

Поступила в редакцию 13.11.2018
После доработки 27.12.2018
Принята к публикации 27.12.2018

DOI: 10.1134/S0320972519050063

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: бактериальный реакционный центр, аминокислотные замещения, первичный донор электрона, электронная структура, перенос электрона, Rhodobacter sphaeroides.

Аннотация

Недавние рентгеноструктурные исследования выявили, что замена природного остатка лейцина M196 на гистидин в реакционном центре (РЦ) Rhodobacter (Rba.) sphaeroides приводит к образованию близкого контакта между генетически введенным гистидином и первичным донором электрона P (димером молекул бактериохлорофилла (БХл) PA и PB) и формированию нового пигмент-белкового взаимодействия, не наблюдаемого в нативных РЦ. В настоящей работе возможная природа нового взаимодействия и его влияние на электронные свойства P и фотохимическое разделение зарядов в изолированных мутантных РЦ L(M196)H исследованы методами стационарной абсорбционной спектроскопии, фотоиндуцированной дифференциальной ИК-Фурье-спектроскопии и фемтосекундной абсорбционной спектроскопии при комнатной температуре. Результаты сравниваются с данными, полученными для РЦ Rba. sphaeroides псевдодикого типа. Показано, что мутация L(M196)H приводит к уменьшению интенсивности и уширению длинноволновой Qy-полосы поглощения Р при ~865 нм. Следствием мутации является также ослабление электронного сопряжения между молекулами БХл в катион-радикале димера P+ и увеличение локализации положительного заряда на молекуле PA. Сравнение полученных результатов с литературными данными позволяет предположить, что имидазольная группа гистидина M196 образует π-водородную связь с π-электронной системой молекулы PB димера P. Несмотря на значительные возмущения электронной структуры P, мутантные РЦ сохраняют высокие скорости переноса электрона и квантовый выход состояния P+QA– (QA — первичный хинонный акцептор), близкий к наблюдаемому в нативных РЦ. По-видимому, специфическая (Т-образная) пространственная организация π-водородного взаимодействия и ее потенциальная гетерогенность в отношении энергии связи могли бы быть, по крайней мере частично, причинами того, что взаимодействие такого типа не реализуется между белком и пигментными и хинонными кофакторами в нативных РЦ.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM18-318, 18.02.2019.

** Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена в рамках госзадания № АААА-А17030110140-5 и при частичной поддержке РФФИ (грант № 17-00-00207 КОМФИ — ИК-Фурье-измерения, фемтосекундные измерения; грант № 17-44-500828 — получение образцов РЦ).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Liao, S.M., Du, Q.S., Meng, J.Z., Pang, Z.W., and Huang, R.B. (2013) The multiple roles of histidine in protein interactions, Chem. Cent. J., 7, 44–55, doi: 10.1186/1752-153X-7-44.

2. Fufina, T.Y., Vasilieva, L.G., Gabdulkhakov, A.G., and Shuvalov, V.A. (2015) The L(M196)H mutation in Rhodobacter sphaeroides reaction center results in new electrostatic interactions, Photosynth. Res., 125, 23–29, doi: 10.1007/s11120-014-0062-0.

3. Lutz, M., and Mantele, W. (1991) In Chlorophylls (Scheer, H., ed.), CRC Press, Boca Raton, FL, pp. 855–902.

4. Breton, J., Nabedryk, E., and Parson, W.W. (1992) A new infrared electronic transition of the oxidized primary electron donor in bacterial reaction centers: a way to assess resonance interactions between the bacteriochlorophylls, Biochemistry, 31, 7503–7510, doi: 10.1021/bi00148a010.

5. Gabdulkhakov, A.G., Fufina, T.Y., Vasilieva, L.G., Mueller, U., and Shuvalov, V.A. (2013) Expression, purification, crystallization and preliminary X-ray structure analysis of wild-type and L(M196)H mutant Rhodobacter sphaeroides reaction centres, Acta. Crystallogr. Sect. F, 69, 506–509, doi: 10.1107/S1744309113006398.

6. Zabelin, A.A., Fufina, T.Y., Vasilieva, L.G., Shkuropatova, V.A., Zvereva, M.G., Shkuropatov, A.Y., and Shuvalov, V.A. (2009) Mutant reaction centers of Rhodobacter sphaeroides I(L177)H with strongly bound bacteriochlorophyll a: structural properties and pigment–protein interactions, Biochemistry (Moscow), 74, 68–74, doi: 10.1134/S0006297909010106.

7. Khatypov, R.A., Khristin, A.M., Fufina, T.Yu., and Shuvalov, V.A. (2017) An alternative pathway of light-induced transmembrane electron transfer in photosynthetic reaction centers of Rhodobacter sphaeroides, Biochemistry (Moscow), 82, 692–697, doi: 10.1134/S0006297917060050.

8. Van Stokkum, I.H.M., Larsen, D.S., and van Grondelle, R. (2004) Global and target analysis of time-resolved spectra, Biochim. Biophys. Acta, 1657, 82–104, doi: 10.1016/j.bbabio.2004.04.011.

9. Snellenburg, J.J., Laptenok, S.P., Seger, R., Mullen, K.M., and van Stokkum, I.H.M. (2012) Glotaran: a Java-based graphical user interface for the R package TIMP, J. Stat. Soft., 49, 1–22, doi: 10.18637/jss.v049.i03.

10. Thompson, M.A., Zerner, M.C., and Fajer, J. (1991) A theoretical examination of the electronic structure and excited states of the bacterlochlorophyll b dimer from Rhodopseudomonas viridis, J. Phys. Chem., 95, 5693–5700, doi: 10.1021/j100167a058.

11. Parson, W.W., and Warshel, A. (1987) Spectroscopic properties of photosynthetic reaction centers. 2. Application of the theory to Rhodopseudomonas viridis, J. Am. Chem. Soc., 109, 6152–6163, doi: 10.1021/ja00254a040.

12. Naberdyk, E., Allen, J.P., Taguchi, A.K.W., Williams, J.C., Woodbury, N.W., and Breton, J. (1993) Fourier transform infrared study of the primary electron donor in chromatophores of Rhodobacter sphaeroides with reaction centers genetically modified at residues M160 and L131, Biochemistry, 32, 13879–13885, doi: 10.1021/bi00213a017.

13. Reimers, J.R., and Hush, N.S. (2003) Modeling the bacterial photosynthetic reaction center. VII. Full simulation of the intervalence hole-transfer absorption spectrum of the special-pair radical cation, J. Chem. Phys., 119, 3262–3277, doi: 10.1063/1.1589742.

14. Malferrari, M., Turina, P., Francia, F., Mezzetti, A., Leibl, W., and Venturoli, G. (2015) Dehydration affects the electronic structure of the primary electron donor in bacterial photosynthetic reaction centers: evidence from visible-NIR and light-induced difference FTIR spectroscopy, Photochem. Photobiol. Sci., 14, 238–251, doi: 10.1039/c4pp00245h.

15. Sun, C., Carey, A.-M., Gao B.-R., Wraight, C.A., Woodbury, N.W., and Lin, S. (2016) Ultrafast electron transfer kinetics in the lm dimer of bacterial photosynthetic reaction center from Rhodobacter sphaeroides, J. Phys. Chem. B, 120, 5395–5404, doi: 10.1021/acs.jpcb.6b05082.

16. Arlt, T., Schmidt, S., Kaiser, W., Lauterwasser, C., Meyer, M., Scheer, H., and Zinth, W. (1993) The accessory bacteriochlorophyll: a real electron carrier in primary photosynthesis, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 90, 11757–11761, doi: 10.1073/pnas.90.24.11757.

17. Shkuropatov, A.Ya., and Shuvalov, V.A. (1993) Electron transfer in pheophytin a-modified reaction centers from Rhodobacter sphaeroides (R-26), FEBS Lett., 322, 168–172, doi: 10.1016/0014-5793(93)81561-D.

18. Kennis, J.T.M., Shkuropatov, A.Ya., van Stokkum, I.H.M., Gast, P., Hoff, A.J., Shuvalov, V.A., and Aartsma, T.J. (1997) Formation of a long-lived P+BA– state in plant pheophytin-exchanged reaction centers of Rhodobacter sphaeroides R26 at low temperature, Biochemistry, 36, 16231–16238, doi: 10.1021/bi9712605.

19. Zinth, W., and Wachtveitl, J. (2005) The first picoseconds in bacterial photosynthesis – ultrafast electron transfer for the efficient conversion of light energy, Chem. Phys. Chem., 6, 871–880, doi: 10.1002/cphc.200400458.

20. Khatypov, R.A., Khmelnitskiy, A.Yu., Khristin, A.M., Fufina, T.Yu., Vasilieva, L.G., and Shuvalov, V.A. (2012) Primary charge separation within P870* in wild type and heterodimer mutants in femtosecond time domain, Biochim. Biophys. Acta, 1817, 1392–1398, doi: 10.1016/j.bbabio.2011.12.007.

21. Vasilieva, L.G., Fufina, T.Y., Gabdulkhakov, A.G., Leonova, M.M., Khatypov, R.A., and Shuvalov, V.A. (2012) The site-directed mutation I(L177)H in Rhodobacter sphaeroides reaction center affects coordination of PA and BB bacteriochlorophylls, Biochim. Biophys. Acta, 1817, 1407–1417, doi: 10.1016/j.bbabio.2012.02.008.

22. DeLano, W.L. (2002) The PyMOL molecular graphics system, http://www.pymol.org.

23. Lin, X., Murchison, H.A., Nagarajan, V., Parson, W.W., Allen, J.P., and Williams, J.C. (1994) Specific alteration of the oxidation potential of the electron donor in reaction centers from Rhodobacter sphaeroides, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 91, 10265–10269, doi: 10.1073/pnas.91.22.10265.

24. Allen, J.P., and Williams, J.C. (1995) Relationship between the oxidation potential of the bacteriochlorophyll dimer and electron transfer in photosynthetic reaction centers, J. Bioenerg. Biomembr., 27, 275–283, doi: 10.1007/BF02110097.

25. Williams, J.C., Alden, R.G., Murchison, H.A., Peloquin, J.M., Woodbury, N.W., and Allen, J.P. (1992) Effects of mutations near the bacteriochlorophylls in reaction centers from Rhodobacter sphaeroides, Biochemistry, 31, 11029–11037, doi: 10.1021/bi00160a012.

26. Kaupp, M. (2002) The function of photosystem I. Quantum chemical insight into the role of tryptophan–quinone interactions, Biochemistry, 41, 2895–2900, doi: 10.1021/bi0159783.

27. Wang, Y., Mao, L., and Hu, X. (2004) Insight into the structural role of carotenoids in the photosystem I: a quantum chemical analysis, Biophys. J., 86, 3097–3111, doi: 10.1016/S0006-3495(04)74358-1.

28. Allen, J.P., and Williams, J.C. (2006) In Chlorophylls and bacteriochlorophylls: biochemistry, biophysics, functions and applications (Grimm, B., Porra, R.J., Rudiger, W., and Scheer, H., eds), Springer, The Netherlands, pp. 283–295.

29. Bylina, E.J., Kirmaer, C., McDowell, L., Holten, D., and Youvan, D.C. (1988) Influence of an aminoacid residue on the optical properties and electron transfer dynamics of a photosynthetic reaction centre complex, Nature, 336, 182–184, doi: 10.1038/336182a0.

30. Flores, M., Isaacson, R., Abresch, E., Calvo, R., Lubitz, W., and Feher, G. (2007) Protein–cofactor interactions in bacterial reaction centers from Rhodobacter sphaeroides R-26: II. Geometry of the hydrogen bonds to the primary quinone QA– by 1H and 2H ENDOR spectroscopy, Biophys. J., 92, 671–682, doi: 10.1529/biophysj.106.092460.

31. Steiner, T., and Koellner, G. (2001) Hydrogen bonds with π-acceptors in proteins: frequencies and role in stabilizing local 3D structure, J. Mol. Biol., 305, 535–557, doi: 10.1006/jmbi.2000.4301.

32. Du, Q.-S., Wang, Q.-Y., Du, L.-Q., Chen, D., and Huang, R.-B. (2013) Theoretical study on the polar hydrogen-р (Hp-р) interactions between protein side chains, Chem. Cent. J., 7, 92–99, doi: 10.1186/1752-153X-7-92.